【文章內(nèi)容簡介】 的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應(yīng)頻率 fs 的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率 fe 后就以此速率恒速運行。當(dāng)快要到達(dá)終點時，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率 fs 的速率下運行， 直到走完所規(guī)定的步數(shù)后就停止運行。這樣步進(jìn)電機(jī)便可以以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不發(fā)生失步的現(xiàn)象。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速 — 恒速 — 減速 — 低恒速 — 停止的過程，上述的變速控制過程如圖 所示。 圖 點 — 位控制的加減速過程 對于一個非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機(jī)的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。對于中等或比較長的運行距離，步進(jìn)電機(jī)加速后應(yīng)該有一個恒速的過程。系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點 到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高。 加速時的起始速度應(yīng)該等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率，而不是從零開始。減速過程結(jié)束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經(jīng)數(shù)步低速運行后停止。 升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速。按直線xx 石油大學(xué)畢業(yè)論文 6 規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。但實際上步進(jìn)電機(jī)升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉(zhuǎn)矩會有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。 由于步進(jìn)電機(jī)的速度正比于脈沖頻率，控制步進(jìn)電機(jī)的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，即控制 CP 脈沖的時間間隔。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。本系統(tǒng)采用定時器中斷來控制步進(jìn)電機(jī)的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用 CPU 的時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制中的一項關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響步進(jìn)電機(jī)運行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能 。采用步進(jìn)電機(jī)的加減速控制可以有效地克服步進(jìn)電機(jī)啟動過程中出現(xiàn)失步的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度。 改變控制方式的變速控制 最簡單的變速控制可以利用改變步進(jìn)電機(jī)的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在 秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達(dá)終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以達(dá)到減速的目的。 均勻地改變脈 沖時間間隔的變速控制 步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數(shù)。 這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進(jìn)電機(jī)的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機(jī)的實時處理能力。 采用定時器的變速控制 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可以采用單片機(jī)內(nèi)部的定時器來提供 CP 脈沖。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向 CPU 申請一次中斷， CPU 響應(yīng)中斷后便發(fā)出一個脈沖。 此時只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達(dá)到均勻加減速的目的【 9】 。 這種方法的優(yōu)點是減少占用 CPU 的時間，提高控制系統(tǒng)的效率和實時處理能力。為了提高單片機(jī)的實時處理能力，系統(tǒng)采用中斷的方法進(jìn)行調(diào)速。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制及系統(tǒng)設(shè)計 7 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件結(jié)構(gòu)圖 該系統(tǒng)的設(shè)計以 89C52 單片機(jī)為核心，以鍵盤輸入為為人機(jī)交換接口，以實現(xiàn)系統(tǒng)不同功能的選擇輸入，由于單片機(jī)輸出信號無法驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，通過設(shè)計步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的間接控制。與此同時， 單片機(jī)還需一定的外圍輔助電路如復(fù)位、時鐘電路等，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下 : 8 9 C 5 2單 片 機(jī)復(fù) 位 電 路鍵 盤 控 制電 路步 進(jìn) 電 機(jī)驅(qū) 動 電 路步 進(jìn) 電 機(jī)電 源 及 時鐘 電 路 圖 硬件結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，它主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的脈沖，通過單片機(jī)的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度大小與單片機(jī)輸出的脈沖數(shù)成正比步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的的方向與輸出的脈沖順序有關(guān)。同時單片機(jī)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)處理來自電機(jī)驅(qū)動電流檢測模塊檢測到的電流值。電機(jī)驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的信號功率放大，從而驅(qū)動電機(jī)工作。獨立按鍵作為一個外 部中斷源，和單片機(jī)端口連接，通過它設(shè)置了電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，步數(shù)控制等功能。 各個模塊分析 本次電源電路使用的是三相集成穩(wěn)壓器，主要由集成電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路、和保護(hù)電路等部分組成。 xx 石油大學(xué)畢業(yè)論文 8 7805 電路圖如 下圖所 示，這是一個輸出正 5V 直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。 IC 采用集成穩(wěn)壓器 7805， C C2 分別為輸入端和輸出端濾波電容。當(dāng)輸出電流較大時， 7805應(yīng)配上散熱板 。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 圖 7805 電源電路 AT89C52 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，其中引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成振蕩器。如下圖所示： 外接石英晶體（或陶瓷諧振器） 及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及濕度穩(wěn)定性 ,使用石英晶體和陶瓷諧振器要注意選擇的大小。 振蕩器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低 電平 圖 晶振電路 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制及系統(tǒng)設(shè)計 9 復(fù)位電路 單片機(jī)在啟動時都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號是從 RST 引腳端輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機(jī)器周期以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。如果 RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。 圖 復(fù)位電路 獨立方式是指將每個按鍵按一對一的方式直接接到 I/O 輸入線上，讀鍵值時直接按 I/O 的狀態(tài)來反映，這種方式查鍵實現(xiàn)簡單，但占用 I/O 資源較多，一般在按鍵量較少的情況下采用。 矩陣方式是用 n 條 I/O 線組成行輸入口， m 條 I/O 線組成列輸入口，在行列線的每一個交點上設(shè)置一個按鍵，讀鍵值方法一般采用掃描方式，即輸出口按位輪換輸出低電平，再從輸入口讀入鍵信息，最后獲得鍵碼。最后由于本次設(shè)計在按鍵上只用到 6 個，所以就用獨立方式就足以滿足設(shè)計需求。 xx 石油大學(xué)畢業(yè)論文 10 圖 鍵盤控制電路 AT89C52 單片機(jī) 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，近十年來單片微型計算機(jī)有了飛速的發(fā)展。在 MCS51 系列單片機(jī)系列內(nèi)核 8051/80C51 的基礎(chǔ)上， Intel 公司、 Philips 公司、 Siemens 公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL 公司的 AT89C52 系列單片機(jī)是當(dāng)今具有較高性能的單片微型 計算機(jī)系列產(chǎn)品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)等。 其主要特點有： （ 1） CPU 內(nèi)核完全和 MCS51 系列兼容，具有 MCS51 系列單片機(jī)的一切功能。 （ 2） 內(nèi)部集成了 4K 字節(jié)的在線可編程 FlashROM，可滿足大部分系統(tǒng)擴(kuò)展的需求，編程方更快捷。 （ 4） 可在 0～ 24MHz的晶振頻率范圍內(nèi)可靠工作，加快了系統(tǒng)的工作速度，可用在某些高速實時處理控制系統(tǒng)中。 （ 5） 內(nèi)部具有 256 個字節(jié)的 RAM 和 3 個 16 位定時器， 可以存放系統(tǒng)運行中基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)的控制及系統(tǒng)設(shè)計 11 的數(shù)據(jù)和滿足定時或計數(shù)功能擴(kuò)展的需要。 （ 6） 具有 6 個中斷源，完全可以滿足一般設(shè)計的中斷系統(tǒng)擴(kuò)展需要。 因此， AT89C52 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能在控制系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其內(nèi)部功能完善，可以大大減少擴(kuò)展系統(tǒng)外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了 AT89C52 單片機(jī)作為中央控制單元。 AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器 ,器件采 用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8位微處理器于單片芯片中，功能強(qiáng)大。 其中 引腳功能說明 如下： 圖 AT89C52 管腳圖 其中單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理如下： AT89C52 單片機(jī) I/O 借口發(fā)送的脈沖信號，經(jīng)過 ULN2020 芯片放大后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī) 本次畢業(yè)設(shè)計選用的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，通過軟件和硬件的結(jié)合實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速功能，主要通過三大塊來 設(shè)計，包括驅(qū)動電路的設(shè)計、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分的設(shè)計。可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)xx 石油大學(xué)畢業(yè)論文 12 轉(zhuǎn)動的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖如圖 所示： 單片機(jī)步 進(jìn) 電機(jī)信 號 放 大發(fā) 送 脈 沖U L N 2 0 0 3 驅(qū) 動 器 圖 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖 AT89C52 單片機(jī)通過 、 、 、 控制步進(jìn)電機(jī)通電相序，通電必須按順序進(jìn)行通電，通過改變通電相序就可以控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 其中電機(jī)正反轉(zhuǎn)和加減速的 通電相序如表 所示： 表 步進(jìn)電機(jī)四相四拍相序表